在C++程序開發里，數據就像活躍的精靈，在內存中靈動地跳躍、流轉，支撐起程序的核心運轉。但當涉及數據的存儲與傳輸時，有個關鍵卻常被忽視的環節 —— 序列化，悄然登場。想象一下，你正在開發一款大型多人在線游戲，游戲中角色的成長進度、技能組合、背包道具等豐富數據，都以精妙的 C++ 對象形式存在于內存中。當玩家激戰正酣，想要保存進度，或是在跨服對戰中實時同步角色狀態時，該如何將內存里這些復雜對象，高效且無損地轉化成能存儲在磁盤、能在網絡中傳輸的格式？又該如何在需要時，精準還原為內存里可操作的對象？這，正是序列化與反序列化亟待攻克的難題 。

然而，C++ 序列化絕非坦途，字節序差異、數據類型兼容、復雜對象處理等難題層出不窮，稍有不慎，便可能引發數據丟失、解析錯誤，讓程序陷入混亂。接下來，讓我們一同深入 C++ 序列化的神秘世界，探尋高效數據處理的秘籍，解鎖其蘊含的強大能量 。

一、序列化簡介

1.1序列化概述

在 C++ 的數據處理領域，序列化是一個極為關鍵的概念，起著數據存儲與傳輸的橋梁作用。簡單來說，序列化就像是把現實世界中的物品打包成一個個便于運輸和存放的包裹，而反序列化則是打開包裹，還原物品本來的樣子。在程序的世界里，它是將對象狀態轉換為可存儲或傳輸格式（通常是字節序列）的過程，而反序列化則是將這些字節序列重新恢復成對象的操作 。

列化 (Serialization)是將對象的狀態信息轉換為可以存儲或傳輸的形式的過程。在序列化期間，對象將其當前狀態寫入到臨時或持久性存儲區。以后，可以通過從存儲區中讀取或反序列化對象的狀態，重新創建該對象。序列化使其他代碼可以查看或修改那些不序列化便無法訪問的對象實例數據。確切地說，代碼執行序列化需要特殊的權限：即指定了 SerializationFormatter 標志的 SecurityPermission。在默認策略下，通過 Internet 下載的代碼或 Internet 代碼不會授予該權限；只有本地計算機上的代碼才被授予該權限。

當我們需要將復雜的數據結構，比如一個包含各種成員變量的類對象，保存到文件中，或者通過網絡發送給其他程序時，就需要先將其序列化。因為無論是文件存儲還是網絡傳輸，它們更擅長處理簡單的字節流，而不是復雜的對象結構。以一個游戲程序為例，游戲中的角色對象可能包含生命值、魔法值、裝備列表、技能等級等眾多屬性。當玩家暫停游戲，程序需要保存當前角色的狀態以便后續恢復時，就會將這個角色對象序列化后寫入存檔文件。而當玩家重新加載游戲時，程序再通過反序列化從存檔文件中讀取數據，恢復角色對象的所有屬性和狀態。

再比如在分布式系統中，不同的服務之間需要進行數據交互。假設一個電商系統，訂單服務需要將訂單信息發送給支付服務。訂單信息可能是一個包含訂單編號、商品列表、客戶信息等復雜數據結構的對象。通過序列化，這個訂單對象被轉換為字節序列，能夠順利地在網絡中傳輸，到達支付服務后再通過反序列化還原成訂單對象，支付服務就能基于此進行后續的處理 。

在 C++ 的數據處理流程中，序列化充當著至關重要的角色。它使得數據能夠突破內存的限制，以一種持久化的方式存在于存儲設備中，或者跨越網絡在不同的程序和系統之間傳遞，是實現高效數據存儲與通信的基石，而選擇合適的 C++ 序列化工具則是開啟高效數據處理大門的鑰匙。

1.2為何序列化在 C++ 中至關重要？

在 C++ 的應用領域中，數據處理是一項核心任務，而序列化在其中扮演著無可替代的重要角色。從數據存儲的角度來看，當我們開發一個數據庫管理系統時，數據庫需要將各種復雜的數據結構，如 B 樹節點、哈希表等，持久化到磁盤上。以 B 樹節點為例，B 樹是一種自平衡的多路查找樹，常用于數據庫索引結構。B 樹節點包含多個鍵值對以及指向子節點的指針 。

在將 B 樹節點存儲到磁盤時，需要將這些復雜的數據結構序列化，因為磁盤文件系統只能處理字節流。通過序列化，B 樹節點中的鍵值對和指針信息被轉換為字節序列，存儲在磁盤文件中。當數據庫需要讀取這個 B 樹節點時，再通過反序列化將字節序列還原為內存中的 B 樹節點對象，從而實現對數據庫索引的高效訪問和查詢操作 。

在網絡傳輸方面，以分布式游戲服務器架構為例，不同的游戲服務器節點之間需要進行大量的數據交互。假設一個大型多人在線游戲，玩家在游戲中的操作，如移動、攻擊等指令，以及玩家角色的狀態信息，都需要從客戶端發送到游戲服務器，再由游戲服務器轉發到其他相關服務器節點。這些數據在網絡傳輸過程中，必須先進行序列化。

例如，玩家角色的狀態可能包括位置坐標（x，y，z）、生命值、魔法值、裝備列表等復雜信息，通過序列化將這些信息轉換為字節流，能夠在網絡中以數據包的形式進行傳輸。到達目標服務器后，再通過反序列化將字節流恢復成原始的數據結構，服務器就能根據這些數據進行相應的游戲邏輯處理，如更新玩家位置、判斷攻擊是否命中等 。

此外，在不同平臺和編程語言之間的數據交互中，序列化也起著關鍵的橋梁作用。例如，一個 C++ 編寫的后端服務，需要與 Python 編寫的前端應用進行數據通信。C++ 后端生成的數據，如用戶信息、訂單數據等，需要通過序列化轉換為一種通用的格式，如 JSON 或 Protocol Buffers 定義的二進制格式，才能被 Python 前端正確接收和解析。

同樣，Python 前端發送給 C++ 后端的請求數據，也需要經過序列化和反序列化的過程。這種跨平臺、跨語言的數據交互在現代軟件開發中極為常見，而序列化則是確保數據準確、高效傳輸的基石，使得不同的系統和組件能夠協同工作，共同完成復雜的業務功能 。

二、序列化的核心工作原理

⑴序列化的方式

• 文本格式：JSON,XML
• 二進制格式：protobuf

⑵二進制序列化

1. 序列化： 將數據結構或對象轉換成二進制串的過程
2. 反序列化：經在序列化過程中所產生的二進制串轉換成數據結構或對象的過程

序列化后，數據小，傳輸速度快
序列化、反序列化速度快

⑶演示

①基本類型序列化、反序列化

int main()
{ //基本類型序列化
    DataStream ds;
    int n =123;
    double d = 23.2;
    string s = "hellow serialization";
    ds << n <<d <<s;
    ds.save("a.out");
}

{ //基本類型的反序列化
    DataStream ds;
    int n;
    double d;
    string s;
    ds.load("a.load");
    ds<<d<<s<<d;
    std::cout<<n<<d<<s<<std::endl;
}

②復合類型數據序列化、反序列化

int main()
{ 
    std::vector<int>v{3,2,1};
    std::map<string,string>m;
    m["name"] = "kitty";
    m["phone"] = "12121";
    m["gender"] = "male";
    DataStream ds;
    ds<<v<<s;
    ds.save("a.out");
}
//復合類型數據反序列化
int main()
{
    DataStreawm ds;
    ds.load("a.out");
    std::vector<int>v;
    std::map<string,string>m;
    ds>>v>>m;
    for(auto it = v.begin();it != v.end();it++)
    {
        std::cout<<*it<<std::endl;
    }
    for(auto it = m.begin();it!= m.end;it++)
    {
        std::cout<<it->first<<"="<<it->second<<std::endl;
    }
}

③自定義類的序列化、反序列化

class A:public Serialization
{//自定義類的序列化
public:
    A();
    ~A();
    A(const string & name,int age):m_name(name),m_age(age){}
    void show()
    {
        std::cout<<m_name<<" "<<m_age<<std::endl;
    }
    //需要序列化的字段
    SERIALIZE(m_name,m_age);
private:
    string m_name;
    int m_age;
}
int main()
{
    A a("Hell",12);
    DataStream ds;
    ds<<a;
    ds.save("a.out");
}

int main()
{
    DataStreawm ds;
    ds.load("a.out");
    std::vector<int>v;
    std::map<string,string>m;
    ds>>v>>m;
    for(auto it = v.begin();it != v.end();it++)
    {
        std::cout<<*it<<std::endl;
    }
    for(auto it = m.begin();it!= m.end;it++)
    {
        std::cout<<it->first<<"="<<it->second<<std::endl;
    }
}
int main()
{//反序列化類的類型
    DataStreawm ds;
    ds.load("a.out");
    std::vector<int>v;
    std::map<string,string>m;
    ds>>v>>m;
    for(auto it = v.begin();it != v.end();it++)
    {
        std::cout<<*it<<std::endl;
    }
    for(auto it = m.begin();it!= m.end;it++)
    {
        std::cout<<it->first<<"="<<it->second<<std::endl;
    }
}

⑷Protobuf 與 srialization的區別

圖片

⑸數據類型的定義

enum DataType
{
    BOOL =0,
    CHAR,
    INT32,
    INT64,
    FLOAT,
    DOUBLE,
    STRING,
    VECTOR,
    LIST,
    MAP,
    SET,
    CUSTOM
}

⑹Serializable 接口類

class Serializable
{
    public:
        virtual void serializable (DataStream & stream) const =0;
        virtual bool unserializable (DataStream & stream) =0;
}

SERIALIZE宏(參數化實現)

#define SERIALIZE(...)                              \
    void serialize(DataStream & stream) const       \
    {                                               \
        char type = DataStream::CUSTOM;             \
        stream.write((char *)&type, sizeof(char));  \
        stream.write_args(__VA_ARGS__);             \
    }                                               \
                                                    \
    bool unserialize(DataStream & stream)           \
    {                                               \
        char type;                                  \
        stream.read(&type, sizeof(char));           \
        if (type != DataStream::CUSTOM)             \
        {                                           \
            return false;                           \
        }                                           \
        stream.read_args(__VA_ARGS__);              \
        return true;                                \
    }

⑺大端與小端

字節序列：字節順序又稱為端序或尾序（Endianness)，在計算機科學領域，指的是電腦內存中在數字通信鏈路中，組成多字節的字的字節排列順序。

• 小端：little-Endian:將低序字節存儲在起始地址（在低位編地址），在變量指針轉換過程中地址保存不變，比如，int64* 轉到 int*32，對于機器計算來說更友好和自然。
• 大端：Big-Endian:將高序字節存儲在起始地址（高位編制），內存順序和數字的書寫順序是一致的，對于人的直觀思維比較容易理解，網絡字節序統一采用Big-Endian。

⑻檢測字節序

①使用庫函數

#include <endian.h>
__BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
__BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN

②通過字節存儲地址判斷

#include <stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    int n = 0x12345678;
    char str[4];
    memcpy(str,&n,sizeof(int));
    for(int i = 0;i<sizeof(int);i++)
    {
        printf("%x\n",str[i]);
    }
    if(str[0]==0x12)
    {
        printf("BIG");
    }else if (str[0] == 0x78){
        printf("Litte");
    }else{
        printf("unknow");
    }
}

三、C++ 序列化工具

對于通信系統，大多都是C/C++開發的，而C/C++語言沒有反射機制，所以對象序列化的實現比較復雜，一般需要借助序列化工具。開源的序列化工具比較多，具體選擇哪一個是受諸多因素約束的：

1. 效率高；
2. 前后向兼容性好；
3. 支持異構系統；
4. 穩定且被廣泛使用；
5. 接口友好;

下面將為大家詳細介紹幾款主流的 C++ 序列化工具：

3.1Protobuf：Google 親兒子

Protocol Buffers（簡稱 Protobuf）是由 Google 開發的一種語言中立、平臺中立、可擴展的序列化結構化數據的方式 。它采用二進制的序列化格式，在不同平臺之間傳輸和保存結構化數據時表現出色。通過簡單的定義文件（以.proto 為擴展名），就能夠生成多種語言（包括 C++、Java、Python、Go 等）的代碼，極大地簡化了序列化和反序列化的操作流程。

假設我們要定義一個簡單的電話簿聯系人信息的數據結構。首先，創建一個.proto文件，比如addressbook.proto，在其中定義消息類型：

syntax = "proto3";

message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;

  enum PhoneType {
    MOBILE = 0;
    HOME = 1;
    WORK = 2;
  }

  message PhoneNumber {
    string number = 1;
    PhoneType type = 2;
  }

  repeated PhoneNumber phones = 4;
}

message AddressBook {
  repeated Person people = 1;
}

在這個定義中，Person消息類型包含了姓名、ID、郵箱以及電話號碼列表，電話號碼又包含號碼和類型。AddressBook消息類型則是一個聯系人列表 。

接下來，使用protoc編譯器將這個.proto文件編譯生成 C++ 代碼。假設已經安裝好了protoc，并且將其添加到了系統路徑中，執行編譯命令：

protoc -I=$SRC_DIR --cpp_out=$DST_DIR $SRC_DIR/addressbook.proto

這里$SRC_DIR是.proto文件所在的源目錄，$DST_DIR是生成的 C++ 代碼輸出目錄。編譯完成后，在$DST_DIR目錄下會生成addressbook.pb.h和addressbook.pb.cc兩個文件，它們包含了序列化和反序列化所需的代碼 。

在 C++ 代碼中使用這些生成的代碼進行序列化和反序列化操作：

#include "addressbook.pb.h"
#include <iostream>
#include <fstream>

// 序列化
void Serialize() {
  addressbook::AddressBook address_book;

  // 添加一個聯系人
  addressbook::Person* person = address_book.add_people();
  person->set_name("Alice");
  person->set_id(1);
  person->set_email("alice@example.com");

  addressbook::Person::PhoneNumber* phone = person->add_phones();
  phone->set_number("123-456-7890");
  phone->set_type(addressbook::Person::MOBILE);

  // 將AddressBook對象序列化為文件
  std::fstream output("addressbook.pb", std::ios::out | std::ios::trunc | std::ios::binary);
  if (!address_book.SerializeToOstream(&output)) {
    std::cerr << "Failed to write address book." << std::endl;
    return;
  }
}

// 反序列化
void Deserialize() {
  addressbook::AddressBook address_book;

  // 從文件中讀取并反序列化
  std::fstream input("addressbook.pb", std::ios::in | std::ios::binary);
  if (!address_book.ParseFromIstream(&input)) {
    std::cerr << "Failed to parse address book." << std::endl;
    return;
  }

  // 輸出反序列化后的聯系人信息
  for (int i = 0; i < address_book.people_size(); ++i) {
    const addressbook::Person& person = address_book.people(i);
    std::cout << "Name: " << person.name() << std::endl;
    std::cout << "ID: " << person.id() << std::endl;
    std::cout << "Email: " << person.email() << std::endl;
    for (int j = 0; j < person.phones_size(); ++j) {
      const addressbook::Person::PhoneNumber& phone = person.phones(j);
      std::cout << "Phone Number: " << phone.number();
      switch (phone.type()) {
        case addressbook::Person::MOBILE:
          std::cout << " (Mobile)";
          break;
        case addressbook::Person::HOME:
          std::cout << " (Home)";
          break;
        case addressbook::Person::WORK:
          std::cout << " (Work)";
          break;
      }
      std::cout << std::endl;
    }
  }
}

int main() {
  Serialize();
  Deserialize();
  return 0;
}

這段代碼中，Serialize函數創建了一個AddressBook對象，并添加了一個聯系人及其電話號碼，然后將其序列化為二進制文件。Deserialize函數從文件中讀取數據并反序列化，最后輸出聯系人的詳細信息 。

Protobuf 具有諸多顯著優點。在效率方面，其序列化后的二進制數據體積小，序列化和反序列化速度快，非常適合對性能要求較高的場景，如網絡通信和大數據量的存儲。在兼容性上，它支持多語言，能夠方便地在不同語言編寫的系統之間進行數據交換 。然而，Protobuf 也存在一些缺點。它的學習曲線相對較陡，初次接觸的開發者需要花費一定時間來熟悉其語法和使用方式。而且，.proto文件的定義相對固定，如果數據結構頻繁變動，維護成本會較高，每次修改都需要重新編譯生成代碼 。

3.2Cereal：C++ 11 的得力助手

Cereal 是一個專為 C++11 設計的輕量級序列化庫，它僅包含頭文件，無需額外的編譯步驟，使用起來非常便捷。Cereal 支持將自定義數據結構序列化成多種格式，包括二進制、XML、JSON 等，同時也能從這些格式中反序列化恢復數據 。

例如，我們定義一個簡單的數據結構Student，包含姓名、年齡和成績：

#include <cereal/cereal.hpp>
#include <cereal/archives/json.hpp>
#include <cereal/archives/binary.hpp>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>

struct Student {
    std::string name;
    int age;
    float grade;

    // 序列化函數
    template <class Archive>
    void serialize(Archive& ar) {
        ar(name, age, grade);
    }
};

在這個Student結構體中，定義了一個模板函數serialize，用于告訴 Cereal 如何序列化和反序列化該結構體的成員變量 。

將Student對象序列化成 JSON 格式：

void SerializeToJson() {
    Student student = {"Bob", 20, 85.5f};
    std::ostringstream oss;
    {
        cereal::JSONOutputArchive archive(oss);
        archive(student);
    }
    std::cout << "Serialized to JSON: " << oss.str() << std::endl;
}

這里，std::ostringstream用于創建一個字符串流，cereal::JSONOutputArchive則將Student對象序列化為 JSON 格式并寫入到字符串流中 。

從 JSON 格式反序列化：

void DeserializeFromJson() {
    std::string json_str = R"({"name":"Bob","age":20,"grade":85.5})";
    std::istringstream iss(json_str);
    Student student;
    {
        cereal::JSONInputArchive archive(iss);
        archive(student);
    }
    std::cout << "Deserialized from JSON - Name: " << student.name
              << ", Age: " << student.age
              << ", Grade: " << student.grade << std::endl;
}

在反序列化時，std::istringstream從給定的 JSON 字符串中讀取數據，cereal::JSONInputArchive將 JSON 數據反序列化為Student對象 。

同樣，也可以將Student對象序列化成二進制格式：

void SerializeToBinary() {
    Student student = {"Charlie", 22, 90.0f};
    std::ostringstream oss(std::ios::binary);
    {
        cereal::BinaryOutputArchive archive(oss);
        archive(student);
    }
    std::string binary_data = oss.str();
    std::cout << "Serialized to Binary (size): " << binary_data.size() << std::endl;
}

以及從二進制格式反序列化：

void DeserializeFromBinary() {
    std::string binary_data = "\x07\x43\x68\x61\x72\x6c\x69\x65\x00\x16\x00\x00\x00\x41\x20\x00\x00"; // 假設的二進制數據
    std::istringstream iss(binary_data, std::ios::binary);
    Student student;
    {
        cereal::BinaryInputArchive archive(iss);
        archive(student);
    }
    std::cout << "Deserialized from Binary - Name: " << student.name
              << ", Age: " << student.age
              << ", Grade: " << student.grade << std::endl;
}

Cereal 的優勢在于其簡單易用，對 C++11 特性的良好支持，使得它在處理 C++ 標準庫中的數據結構，如std::vector、std::map等時非常方便。它適用于對靈活性要求較高，且主要在 C++ 項目內部進行數據處理的場景，例如游戲開發中的數據保存與加載、配置文件的讀寫等 。在游戲開發中，游戲角色的各種屬性，如生命值、魔法值、裝備等，都可以方便地使用 Cereal 進行序列化和反序列化，實現游戲進度的保存和加載功能 。

3.3Cista++：性能怪獸來襲

Cista++ 是一款專為 C++17 設計的高性能序列化庫，它以其獨特的設計理念和強大的功能在序列化領域嶄露頭角。Cista++ 的核心特性之一是其無侵入式反射系統，這一創新機制允許開發者直接使用原生結構體進行數據交換，無需對結構體進行額外的宏定義或復雜的配置，大大簡化了代碼的編寫過程 。例如，定義一個簡單的幾何圖形結構體Rectangle：

struct Rectangle {
    int x;
    int y;
    int width;
    int height;
};

使用 Cista++ 進行序列化和反序列化時，無需為該結構體編寫額外的序列化函數，Cista++ 的反射系統能夠自動識別并處理結構體的成員變量。這一特性在處理大量不同類型的結構體時，能顯著減少代碼量和開發時間 。

Cista++ 還具備直接至文件的序列化功能，這使得它在性能上表現卓越。傳統的序列化方式通常需要先將數據序列化到內存緩沖區，然后再寫入文件，而 Cista++ 可以直接將數據序列化到文件中，減少了內存的使用和數據拷貝的次數，從而提高了效率，特別是在處理大規模數據時，這種優勢更加明顯 。在一個地理信息系統（GIS）項目中，需要存儲和讀取大量的地圖數據，這些數據通常以復雜的數據結構表示，如包含坐標信息、地形特征等的結構體。使用 Cista++ 的直接至文件序列化功能，可以快速地將這些數據存儲到磁盤上，并且在需要時能夠高效地讀取和反序列化，大大提升了系統的響應速度和數據處理能力 。

此外，Cista++ 支持復雜的甚至是循環引用的數據結構，這在處理一些具有復雜關系的數據時非常重要。比如在一個社交網絡模擬系統中，用戶之間可能存在相互關注、好友關系等復雜的引用關系，Cista++ 能夠正確地處理這些循環引用，確保數據的完整性和準確性 。它還通過持續的模糊測試（利用 LLVM 的 LibFuzzer）來保障其魯棒性，確保了數據處理的安全性，使得在各種復雜環境下都能穩定運行 。基于這些特性，Cista++ 在對性能敏感的場景中表現出色，如游戲開發、地理信息系統等，能夠滿足這些領域對高效數據處理的嚴格要求 。

3.4ThorsSerializer：全能小能手

ThorsSerializer 是一個功能強大的 C++ 序列化庫，它專注于將數據結構序列化為二進制格式，同時也支持將數據轉換為 JSON、YAML 和 BSON 等多種常見的數據格式，為開發者提供了豐富的選擇，以滿足不同場景下的數據處理需求 。在網絡通信場景中，當需要在不同的節點之間傳輸數據時，ThorsSerializer 可以將數據結構快速轉換為緊湊的二進制表示，從而在網絡上以最小的帶寬開銷發送數據 。假設我們有一個表示網絡消息的數據結構NetworkMessage：

struct NetworkMessage {
    int messageId;
    std::string sender;
    std::string receiver;
    std::string content;
};

使用 ThorsSerializer 將NetworkMessage對象序列化為二進制數據，然后通過網絡發送出去，在接收端再將接收到的二進制數據反序列化為NetworkMessage對象，這樣就能實現高效、準確的數據傳輸 。

在數據存儲方面，ThorsSerializer 可以將數據結構序列化后保存到文件或數據庫中，方便持久化存儲和檢索 。比如在一個日志管理系統中，需要將大量的日志信息存儲到文件中，日志信息可能包含時間、日志級別、日志內容等數據，使用 ThorsSerializer 將這些數據結構序列化為二進制格式并保存到文件中，不僅可以節省存儲空間，還能提高數據的讀寫效率 。

ThorsSerializer 的高性能得益于其優化的技術和算法，在序列化和反序列化過程中，能夠實現高速度、低內存占用，尤其適合處理大規模數據 。它還提供了簡潔直觀的 API，使得開發者能夠輕松地進行數據序列化操作，降低了學習成本和開發難度 。在一個分布式數據庫系統中，各個節點之間需要頻繁地進行數據交互和存儲，使用 ThorsSerializer 的簡潔 API，開發者可以快速地實現數據的序列化和反序列化功能，提高系統的開發效率和運行性能 。

此外，ThorsSerializer 具有類型安全的特性，能夠避免常見的序列化錯誤，如溢出或隱式類型轉換，確保了數據的準確性和完整性 。它還支持跨平臺使用，兼容 Windows、Linux 和 macOS 等多種操作系統，使得開發者可以在不同的平臺上無縫地使用該庫進行數據處理 。

3.5如何選擇合適的序列化工具

在 C++ 開發中，面對琳瑯滿目的序列化工具，如何選擇最適合項目需求的工具是開發者需要謹慎思考的問題。這需要從多個維度進行綜合考量，包括效率、兼容性、易用性以及適用場景等。

從效率方面來看，不同的序列化工具在序列化和反序列化的速度以及生成的序列化數據大小上存在顯著差異 。例如，Protobuf 采用二進制編碼，序列化后的數據體積小，在網絡傳輸和存儲時能有效減少帶寬和存儲空間的占用，并且其序列化和反序列化速度較快，非常適合對性能要求極高的場景，如實時通信系統、大數據存儲與處理等。在一個分布式的實時監控系統中，需要頻繁地將大量的監控數據（如傳感器采集的溫度、濕度、壓力等信息）通過網絡傳輸到服務器進行分析處理。這些數據量巨大且對傳輸的實時性要求很高，如果使用 Protobuf 進行序列化，就能大大減少數據傳輸的時間和網絡帶寬的消耗，提高系統的整體性能 。

而 Cista++ 則以其直接至文件的序列化功能和無侵入式反射系統，在處理大規模數據時展現出卓越的性能。它能夠減少內存的使用和數據拷貝的次數，直接將數據序列化到文件中，從而提高了效率。在一個地理信息系統（GIS）項目中，需要存儲和讀取大量的地圖數據，這些數據通常以復雜的數據結構表示，如包含坐標信息、地形特征等的結構體。使用 Cista++ 的直接至文件序列化功能，可以快速地將這些數據存儲到磁盤上，并且在需要時能夠高效地讀取和反序列化，大大提升了系統的響應速度和數據處理能力 。

兼容性也是選擇序列化工具時需要重點考慮的因素之一 。如果項目涉及到多語言開發或者需要在不同的平臺之間進行數據交互，那么工具的跨語言和跨平臺支持能力就至關重要。Protobuf 支持 C++、Java、Python、Go 等多種編程語言，能夠方便地在不同語言編寫的系統之間進行數據交換 。在一個大型的分布式電商系統中，后端服務可能使用 C++ 編寫，而前端應用可能使用 Java 或 Python。在這種情況下，使用 Protobuf 進行數據的序列化和反序列化，能夠確保后端生成的數據（如訂單信息、用戶數據等）能夠準確地傳輸到前端，并被前端正確解析和處理，實現前后端的高效協同工作 。

易用性則直接影響到開發的效率和成本 。對于一些開發周期緊張、團隊成員技術水平參差不齊的項目，選擇一個易用的序列化工具尤為重要。Cereal 作為一個專為 C++11 設計的輕量級序列化庫，僅包含頭文件，無需額外的編譯步驟，使用起來非常便捷 。它提供了直觀的序列化接口，通過簡單的函數調用來實現對自定義類型的支持，開發者只需關注業務邏輯，而無需花費大量時間去學習復雜的序列化語法和配置。在一個小型的游戲開發項目中，可能需要頻繁地保存和加載游戲進度，使用 Cereal 就可以輕松地將游戲中的各種數據結構（如角色屬性、地圖信息等）進行序列化和反序列化，大大提高了開發效率 。

適用場景也是選擇序列化工具的關鍵依據 。不同的工具在不同的場景中有著各自的優勢。例如，在游戲開發中，由于游戲數據結構復雜多樣，且對性能和靈活性要求較高，Cereal 和 Bitsery 等工具就比較適用。Cereal 對 C++11 標準庫容器的良好支持，使得它在處理游戲中的各種數據結構（如角色的裝備列表、技能樹等）時非常方便；而 Bitsery 以其極致的性能和靈活的配置，能夠滿足游戲中對高效數據傳輸和狀態同步的嚴格要求，在網絡游戲的實時通信中發揮著重要作用 。

在大數據處理場景中，數據量巨大且對處理速度要求極高，Protobuf、Cista++ 等工具則更具優勢。Protobuf 的高效二進制編碼和良好的擴展性，使其能夠在大規模數據存儲和傳輸中表現出色；Cista++ 的高性能和對復雜數據結構的支持，能夠快速地處理和分析海量的數據 。在網絡通信場景中，ThorsSerializer 以其對多種數據格式的支持和高性能，能夠根據不同的網絡環境和需求，選擇合適的序列化格式（如二進制、JSON 等），實現高效的數據傳輸 。

四、protobuf C++使用指導

4.1protobuf安裝

在github上下載protobuf C++版本，并根據README.md的說明進行安裝，此處不再贅述。

(1)定義.proto文件

proto文件即消息協議原型定義文件，在該文件中我們可以通過使用描述性語言，來良好的定義我們程序中需要用到數據格式。我們先通過一個電話簿的例子來了解下：

//AppExam.proto
syntax = "proto3";

package App;

message Person 
{
   string name = 1;
   int32 id = 2;
   string email = 3;

   enum PhoneType
   {
       MOBILE = 0;
       HOME = 1;
       WORK = 2;
   }

   message PhoneNumber 
   {
       required string number = 1;
       optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
   }

   repeated PhoneNumber phone = 4;
}

message AddressBook 
{
   repeated Person person = 1;
}

正你看到的一樣，消息格式定義很簡單，對于每個字段而言可能有一個修飾符（repeated）、字段類型（bool/string/bytes/int32等）和字段標簽(Tag)組成，對于repeated的字段而言，該字段可以重復多個，即用于標記數組類型，對于protobuf v2版本，除過repeated，還有required和optional，由于設計的不合理，在v3版本把這兩個修飾符去掉了。

字段標簽標示了字段在二進制流中存放的位置，這個是必須的，而且序列化與反序列化的時候相同的字段的Tag值必須對應，否則反序列化會出現意想不到的問題。

(2)生成.h&.cc文件

進入protobuf的bin目錄，輸入命令：

./protoc -I=../../test/protobuf --cpp_out=../../test/protobuf ../../test/protobuf/AppExam.proto

I的值為.proto文件的目錄，cpp_out的值為.h和.cc文件生成的目錄，運行該命令后，在$cpp_out路徑下生成了AppExam.pb.h和http://AppExam.pb.cc文件。

(3)protobuf C++ API

生成的文件中有以下方法：

// name
inline bool has_name() const;
inline void clear_name();
inline const ::std::string& name() const;
inline void set_name(const ::std::string& value);
inline void set_name(const char* value);
inline ::std::string* mutable_name();

// id
inline bool has_id() const;
inline void clear_id();
inline int32_t id() const;
inline void set_id(int32_t value);

// email
inline bool has_email() const;
inline void clear_email();
inline const ::std::string& email() const;
inline void set_email(const ::std::string& value);
inline void set_email(const char* value);
inline ::std::string* mutable_email();

// phone
inline int phone_size() const;
inline void clear_phone();
inline const ::google::protobuf::RepeatedPtrField< ::tutorial::Person_PhoneNumber >& phone() const;
inline ::google::protobuf::RepeatedPtrField< ::tutorial::Person_PhoneNumber >* mutable_phone();
inline const ::tutorial::Person_PhoneNumber& phone(int index) const;
inline ::tutorial::Person_PhoneNumber* mutable_phone(int index);
inline ::tutorial::Person_PhoneNumber* add_phone();

解析與序列化接口：

/* 
序列化消息，將存儲字節的以string方式輸出，注意字節是二進制，而非文本；string!=text, 
serializes the message and stores the bytes in the given string. Note that the bytes 
are binary, not text; we only use the string class as a convenient  container. 
*/
bool SerializeToString(string* output) const;

//解析給定的string
bool ParseFromString(const string& data);

(4)Any Message Type

protobuf在V3版本引入Any Message Type，顧名思義，Any Message Type可以匹配任意的Message，包含Any類型的Message可以嵌套其他的Messages而不用包含它們的.proto文件。使用Any Message Type時，需要import文件google/protobuf/any.proto。

syntax = "proto3";

package App;
import "google/protobuf/any.proto";
message ErrorStatus 
{
  repeated google.protobuf.Any details = 1;
}
message NetworkErrorDetails 
{
   int32 a = 1;
   int32 b = 2;
}
message LocalErrorDetails 
{
   int64 x = 1;
   string y = 2;
}

序列化時，通過pack操作將一個任意的Message存儲到Any。

// Storing an arbitrary message type in Any.
App::NetworkErrorDetails details;
details.set_a(1);
details.set_b(2);
App::ErrorStatus status;
status.add_details()->PackFrom(details);
std::string str;
status.SerializeToString(&str);

反序列化時，通過unpack操作從Any中讀取一個任意的Message。

// Reading an arbitrary message from Any.
App::ErrorStatus status;
std::string str;
status.ParseFromString(str);
for (const google::protobuf::Any& detail : status1.details())
{
    if (detail.Is<App::NetworkErrorDetails>())
    {
        App::NetworkErrorDetails network_error;
        detail.UnpackTo(&network_error);
        INFO_LOG("NetworkErrorDetails: %d, %d", network_error.a(),
                 network_error.b());
    }
}

4.2protobuf的最佳實踐

(1)對象序列化設計

• 序列化的單位為聚合或獨立的實體，我們統一稱為領域對象；
• 每個聚合可以引用其他聚合，序列化時將引用的對象指針存儲為key，反序列化時根據key查詢領域對象，將指針恢復為引用的領域對象的地址；
• 每個與序列化相關的類都要定義序列化和反序列化方法，可以通過通用的宏在頭文件中聲明，這樣每個類只需關注本層的序列化，子對象的序列化由子對象來完成；
• 通過中間層來隔離protobuf對業務代碼的污染，這個中間層暫時通過物理文件的分割來實現，即每個參與序列化的類都對應兩個cpp文件，一個文件中專門用于實現序列化相關的方法，另一個文件中看不到protobuf的pb文件，序列化相關的cpp可以和領域相關cpp從目錄隔離；
• 業務人員完成.proto文件的編寫，Message結構要求簡單穩定，數據對外扁平化呈現，一個領域對象對應一個.proto文件；
• 序列化過程可以看作是根據領域對象數據填充Message結構數據，反序列化過程則是根據Message結構數據填充領域對象數據；
• 領域對象的內部結構關系是不穩定的，比如重構，由于數據沒變，所以不需要數據遷移；
• 當數據變了，同步修改.proto文件和序列化代碼，不需要數據遷移；
• 當數據沒變，但領域對象出現分裂或合并時，盡管概率很小，必須寫數據遷移程序，而且要有數據遷移用例長在CI運行，除非該用例對應的版本已不再維護;
• 服務宕機后，由其他服務接管既有業務，這時觸發領域對象反構，反構過程包括反序列化過程，對業務是透明的。

(2)對象序列化實戰

假設有一個領域對象Movie，有3個數據成員，分別是電影名字name、電影類型type和電影評分列表scores。Movie初始化時需要輸入name和type，name輸入后不能rename，可以看作Movie的key，而type輸入后可以通過set來變更。scores是用戶看完電影后的評分列表，而子項score也是一個對象，包括分值value和評論comment兩個數據成員。

下面通過代碼來說明電影對象的序列化和反序列化過程：

①編寫.proto文件

//AppObjSerializeExam.proto
syntax = "proto3";

package App;

message Score
{
    int32 value = 1;
    string comment = 2;
}

message Movie
{
    string name = 1;
    int32 type = 2;
    repeated Score score = 3;
}

②領域對象的主要代碼

序列化和反序列化接口是通用的，在每個序列化的類（包括成員對象所在的類）里面都要定義，因此定義一個宏，既增強了表達力又消除了重復。

// SerializationMacro.h
#define DECL_SERIALIZABLE_METHOD(T) \
void serialize(T& t) const; \
void deserialize(const T& t);

//MovieType.h
enum MovieType {HUMOR, SCIENCE, LOVE, OTHER};


/Score.h
namespace App
{
  struct Score;
}

struct Score
{
    Score(U32 val = 0, std::string comment = "");
    operator int() const;
    DECL_SERIALIZABLE_METHOD(App::Score);

private:
    int value;
    std::string comment;
};

//Movie.h
typedef std::vector<Score> Scores;

const std::string UNKNOWN_NAME = "Unknown Name";

struct Movie
{
    Movie(const std::string& name = UNKNOWN_NAME, 
          MovieType type = OTHER);
    MovieType getType() const;
    void setType(MovieType type);
    void addScore(const Score& score);
    BOOL hasScore() const;
    const Scores& getScores() const;
    DECL_SERIALIZABLE_METHOD(std::string);

private:
    std::string name;
    MovieType type;
    Scores scores;
};

類Movie聲明了序列化接口，而其數據成員scores對應的具體類Score也聲明了序列化接口，這就是說
序列化是一個遞歸的過程，一個類的序列化依賴于數據成員對應類的序列化。

(3)序列化代碼實現

首先通過物理隔離來減少依賴，對于Score，有一個頭文件Score.h，有兩個實現文件Score.cpp和ScoreSerialization.cpp，其中ScoreSerialization.cpp為序列化代碼實現文件。

//ScoreSerialization.cpp
void Score::serialize(App::Score& score) const
{
    score.set_value(value);
    score.set_comment(comment);
}

void Score::deserialize(const App::Score& score)
{
    value = score.value();
    comment = score.comment();
    INFO_LOG("%d, %s", value, comment.c_str());
}

同理，對于Movie，有一個頭文件Movie.h，有兩個實現文件Movie.cpp和MovieSerialization.cpp，其中MovieSerialization.cpp為序列化代碼實現文件。

//MovieSerialization.cpp
void Movie::serialize(std::string& str) const
{
    App::Movie movie;
    movie.set_name(name);
    movie.set_type(type);
    INFO_LOG("%d", scores.size());
    for (size_t i = 0; i < scores.size(); i++)
    {
        App::Score* score = movie.add_score();
        scores[i].serialize(*score);
    }
    movie.SerializeToString(&str);
}

void Movie::deserialize(const std::string& str)
{
    App::Movie movie;
    movie.ParseFromString(str);
    name = movie.name(),
    type = static_cast<MovieType>(movie.type());
    U32 size = movie.score_size();
    INFO_LOG("%s, %d, %d", name.c_str(), type, size);
    google::protobuf::RepeatedPtrField<App::Score>* scores =
    movie.mutable_score();
    google::protobuf::RepeatedPtrField<App::Score>::iterator it  =
    scores->begin();
    for (; it != scores->end(); ++it)
    {
        Score score;
        score.deserialize(*it);
        addScore(score);
    }
}

五、最佳實踐案例剖析

5.1案例一：游戲開發中的數據加載加速

在游戲開發領域，游戲資產的加載速度直接影響玩家的游戲體驗，尤其是在游戲啟動階段，漫長的加載時間可能會讓玩家失去耐心。以一款 3D 角色扮演游戲為例，游戲中包含大量的角色模型、場景地圖、紋理資源等，這些資產的數據量龐大且結構復雜 。

在未使用高效序列化工具之前，游戲的加載過程較為緩慢。例如，角色模型數據可能以傳統的文本格式存儲，在加載時需要逐行解析文本，將各種屬性（如頂點坐標、法線方向、材質信息等）轉換為內存中的數據結構。這種方式不僅解析速度慢，而且在轉換過程中會消耗大量的 CPU 資源，導致游戲啟動時間長達數十秒甚至更久 。

為了優化這一問題，開發團隊引入了 Cista++ 序列化庫。Cista++ 的無侵入式反射系統和直接至文件的序列化功能在這個場景中發揮了巨大作用 。首先，對于角色模型數據，開發團隊將其定義為原生結構體，利用 Cista++ 的反射系統，無需編寫額外的序列化代碼，就能直接對結構體進行序列化操作 。例如，定義一個角色模型結構體CharacterModel：

struct CharacterModel {
    std::vector<glm::vec3> vertices;
    std::vector<glm::vec3> normals;
    std::vector<glm::vec2> uvs;
    std::string materialName;
};

在加載角色模型時，Cista++ 可以直接將存儲在文件中的序列化數據反序列化為CharacterModel結構體，減少了中間的數據轉換步驟，大大提高了加載速度 。而且，Cista++ 的直接至文件序列化功能避免了先將數據加載到內存緩沖區再處理的過程，直接從文件中讀取和反序列化數據，減少了內存的占用和數據拷貝的次數，進一步提升了加載效率 。

通過使用 Cista++，游戲的啟動時間大幅縮短，從原來的 30 秒減少到了 10 秒以內，玩家能夠更快地進入游戲世界，提升了游戲的整體流暢性和用戶體驗，吸引了更多玩家的關注和喜愛，在市場競爭中占據了更有利的地位 。

5.2案例二：分布式系統中的數據傳輸優化

在分布式系統中，數據需要在不同的節點之間進行頻繁傳輸，數據量通常較大，且網絡環境復雜多變，對數據傳輸的效率和穩定性提出了極高的要求。以一個大型電商分布式系統為例，該系統包含多個微服務模塊，如訂單服務、商品服務、用戶服務等，這些服務分布在不同的服務器節點上，它們之間需要進行大量的數據交互 。

在訂單服務中，當用戶下單后，訂單信息需要被發送到支付服務進行處理。訂單信息可能包含訂單編號、商品列表、用戶信息、收貨地址等復雜的數據結構 。假設使用傳統的數據傳輸方式，如將訂單信息以JSON格式進行傳輸，由于JSON是文本格式，數據體積較大，在網絡傳輸過程中會占用較多的帶寬資源，而且解析JSON數據也需要消耗一定的CPU時間 。在高并發的情況下，大量的訂單數據傳輸可能會導致網絡擁塞，影響系統的響應速度 。

為了解決這些問題，開發團隊采用了 Protobuf 進行數據傳輸。首先，通過定義.proto文件來描述訂單數據結構：

syntax = "proto3";

message OrderItem {
  string productId = 1;
  string productName = 2;
  int32 quantity = 3;
  float price = 4;
}

message Order {
  string orderId = 1;
  string userId = 2;
  string shippingAddress = 3;
  repeated OrderItem items = 4;
}

在訂單服務中，當生成訂單后，將訂單對象序列化為 Protobuf 的二進制格式：

#include "order.pb.h"

void SendOrder(const Order& order) {
    std::string serializedOrder;
    order.SerializeToString(&serializedOrder);
    // 通過網絡發送serializedOrder到支付服務
}

在支付服務接收到數據后，進行反序列化操作：

#include "order.pb.h"

void ReceiveOrder(const std::string& serializedOrder) {
    Order order;
    order.ParseFromString(serializedOrder);
    // 處理訂單
}

Protobuf 的二進制編碼格式使得序列化后的數據體積大大減小，相比 JSON 格式，數據量可減少數倍甚至更多，從而降低了網絡帶寬的占用 。而且，Protobuf 的序列化和反序列化速度非?？欤诟卟l的情況下，能夠快速處理大量的訂單數據，保證了系統的響應速度和穩定性 。通過使用 Protobuf，電商分布式系統在數據傳輸方面的性能得到了顯著提升，能夠更好地應對高并發的業務場景，為用戶提供更優質的服務 。

六、避坑指南：使用中的常見問題與解決

在使用 C++ 序列化工具的過程中，開發者常常會遇到各種棘手的問題，這些問題若不能及時解決，可能會嚴重影響項目的進度和質量。下面將詳細介紹一些常見問題及相應的解決方法。

6.1數據類型不匹配問題

在序列化和反序列化過程中，數據類型的一致性至關重要。不同的序列化工具對數據類型的處理方式可能略有差異，若在定義數據結構和進行序列化操作時，沒有確保數據類型的嚴格匹配，就容易出現錯誤 。例如，在使用 Protobuf 時，如果.proto文件中定義的字段類型與 C++ 代碼中使用的類型不一致，就會導致序列化和反序列化失敗 。假設.proto文件中定義了一個int32類型的字段：

message Example {
  int32 number = 1;
}

但在 C++ 代碼中，錯誤地將其聲明為int64類型：

#include "example.pb.h"

int main() {
    Example example;
    int64 wrong_number = 100;
    // 錯誤的賦值，類型不匹配
    example.set_number(wrong_number); 
    return 0;
}

這樣在進行序列化或反序列化操作時，就會出現未定義行為或錯誤 。

解決方法是仔細檢查數據結構定義和代碼中的數據類型，確保二者完全一致。在使用不同語言進行數據交互時，要特別注意不同語言數據類型的對應關系，例如 Python 中的int類型在 C++ 中可能對應int32或int64，需根據實際情況進行正確的映射 。

6.2版本兼容性問題

當項目中的數據結構發生變化時，序列化工具的版本兼容性就成為一個關鍵問題 。以 Protobuf 為例，如果在更新.proto文件后，沒有正確處理版本兼容性，舊版本的反序列化代碼可能無法解析新版本序列化后的數據 。假設原來的.proto文件定義如下：

syntax = "proto3";

message User {
  string name = 1;
  int32 age = 2;
}

后來由于業務需求，需要添加一個新的字段email：

syntax = "proto3";

message User {
  string name = 1;
  int32 age = 2;
  string email = 3;
}

如果此時使用舊版本的反序列化代碼去解析新版本序列化后的數據，就可能會出現錯誤，因為舊代碼不知道email字段的存在 。

為了解決版本兼容性問題，可以在.proto文件中合理使用optional關鍵字，對于可能添加或刪除的字段，將其聲明為optional，這樣舊版本的代碼在解析新版本數據時，能夠忽略新增的optional字段 。同時，在更新數據結構后，應及時更新所有相關的序列化和反序列化代碼，確保版本的一致性 。在項目開發過程中，建立良好的版本管理機制也是非常必要的，記錄每次數據結構的變更和對應的版本號，以便在出現問題時能夠快速定位和解決 。

6.3性能瓶頸問題

在處理大規模數據或對性能要求極高的場景下，序列化工具的性能瓶頸可能會凸顯出來 。例如，某些序列化工具在序列化和反序列化復雜數據結構時，可能會消耗大量的 CPU 和內存資源，導致程序運行緩慢 。在一個處理海量日志數據的項目中，日志數據包含復雜的嵌套結構，使用了一個性能較差的序列化工具，在將日志數據序列化到文件時，速度非常慢，嚴重影響了系統的實時性 。

針對性能瓶頸問題，可以從多個方面進行優化 。首先，選擇性能更優的序列化工具，如前面提到的 Protobuf 和 Cista++，它們在性能方面表現出色 。其次，優化數據結構，減少不必要的嵌套和冗余字段，降低序列化和反序列化的復雜度 。例如，將一些頻繁訪問的子結構合并成一個更大的結構體，減少結構體之間的指針引用，這樣在序列化時可以減少內存的間接訪問，提高效率 。還可以通過緩存優化來提高性能，例如將頻繁使用的數據結構預先序列化并緩存起來，當需要時直接從緩存中讀取，避免重復的序列化操作 。在多線程環境下，合理地利用并發機制，將序列化和反序列化任務分配到不同的線程中執行，充分發揮多核處理器的優勢，提高整體的處理速度 。